arquitetura dos microprocessadores 8086 e 8088 sistemas embarcados
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Arquitetura dos Microprocessadores 8086 e 8088
Sistemas Embarcados
IntroduçãoMicroprocessadores Intel
Linha X86Linha Pentium
Primeira Geração
Segunda Geração
Terceira Geração
Quarta Geração
Quinta Geração
8086 8088 80186 80286 80386 80486 PentiumAno Surgimento 1978 1979 1982 1982 1985 1989 1993Nº bits barramento 16 8 16 16 32 32 32/64Nº transistores 2900029000 100000 134000 375000 1200000 3100000
Vel. MHz4,77 a
104,77 a
10 8 a 16 8 a 12,5 16 a 40 25, 33 e 50 60, 66 e 90Co-Processador 8087 8087 8087 80287 80387 80487 Interno
Introdução
Vamos concentrar nossos estudos no 8086/8088!
Por que?
Motivos históricos: o primeiro PC (o IBM PC) possuía um 8088 embarcado
Todo software produzido para a família 80X86 mantém compatibilidade com os microprocessadores futuros
Arquitetura do 8086/8088
Arquitetura Von Neumann (CISC): dados e endereço no mesmo barramento 20 bits de endereço => 1Mbyte 16 bits de dados do barramento comum (8086) 8/16 bits de dados do barramento comum (8088) Barramento de controle: 16 bits independentes do barramento comum
8086 e 8088 possuem arquiteturas internas semelhantes, com interfaces com o barramento diferentes!
Pinagem do 8086/8088
Diagrama Funcional do 8086/8088
EU obtém instruções de uma fila gerenciada pela BIU
Quando uma instrução requer acesso à memória ou a um dispositivo periférico, então a EU solicita à BIU uma leitura/escrita de dados.
Unidade de Execução do 8086/8088
Contém uma ALU para realização de operações aritméticas (+,-,* e /) e lógicas (AND, OR, NOT e XOR)
Contém registradores endereçados por nome para armazenamento temporário durante operações
A ALU pode realizar operações de 8 ou 16 bits
Unidade de Controle do 8086/8088
Controla a comunicação de dados entre a Unidade de Execução e os dispositivos periféricos (memória e E/S)
Controla a transmissão de sinais de endereço, de dados e de controle
Controla a sequência de busca e execução de instruções
Mecanismo de pre-fetch: busca até 6 instruções futuras, deixando-as na fila de instruções => Aumento de velocidade
Modos Máximo e Mínimo do 8086/8088
Modo Mínimo O processador gera todos os sinais de controle do barramento Não permite o uso de coprocessador
Modo Máximo Alguns sinais de controle do barramento são gerados pelo 8286/8288 Permite o uso do coprocessador 8087
O 8086/8088 no Modo Mínimo
O 8086/8088 no Modo Máximo
Operação de Barramento
Um esquema de multiplexação permite a utilização de um único barramento físico hora para endereçamento e hora para transmissão/recepção de dados (arquitetura Von Newman)
Vantagem: uso eficiente do hardware disponível (minimização do hardware necessário)
Desvantagem: lentidão no processo de transmissão/recepção de dados
Temporização no Modo Mínimo
Temporização no Modo Máximo
Conjunto de RegistradoresDe Uso Geral
Uso Preferencial
Usados em operações aritméticas de 8 ou 16 bits
Usados em operações aritméticas e para acessar variáveis de memória.
Conjunto de RegistradoresDe Uso Específico
Usados para particionamento de memória
Permite que a CPU possa acessar até 4 seguimentos distintos ao mesmo tempo
Cada segmento lógico possui 64kB
Onde são usados?Algumas instruções usam certos registros implicitamente.
MUL CX => AX*CX->resultado em DX:AX
DIV CX => DX:AX/CX->resultado: quociente em AL e resto em AX
IN AX,0C8hIN AX,DXOUT 0C8h,AXOUT DX,AX
Segmentação da Memória
As Famílias 8086/8088 e 80186/80188 possuem um espaço de memória de 1MB (de 00000h a FFFFFh) Um segmento (unidade lógica de memória) pode ter no máximo 64kB (de 0000h a FFFFh)
Segmentação da MemóriaOs segmentos podem ser adjacentes, disjuntos, parcialmente sobrepostos ou completamente sobrepostos Uma memória física pode ser mapeada em um ou mais segmentos lógicos
Segmentação da Memória
Veremos em laboratório como podemos fazer o papel do sistema operacional e assim obter controle sobre os segmentos, alterando o valor dos registradores de segmento (DS, CS, SS e ES)
Segmentação da Memória
Segmentação da Memória
O Seletor e o Descritor de segmento são controlados pelo sistema operacional O Offset é controlado pelo programa de aplicação
Normalmente o Descritor de segmento possui alguns bits associados para determinação de características de proteção do segmento, isto é, permissões para leitura, escrita e/ou execução
Um Cache de Descritor de segmento evita dois acessos simultâneos à memória
Geração do Endereço Físico
Operação Realizada pela BIU
Um eventual carry gerado pela adição é ignorado!
O endereço físico é um valor de 20 bits que identifica a localização de um byte na memória.
Endereço Físico versus Endereço Lógico
Endereço Lógico• O endereço lógico de memória pode vir de diferentes fontes, dependendo do tipo de referência que está sendo feito. • A BIU (Unidade de Interface de Barramento) é quem determina a fonte do endereço lógico com base no tipo de referência de memória .• Entretanto, o programador é capaz de direcionar a BIU para usar um segmento endereçável qualquer. Exemplo: MOV ax,1000h MOV ds,ax
Endereço Lógico• As instruções são sempre buscadas no segmento de código corrente• O registrador CS possui a base do segmento, enquanto que o registrador IP possui o offset, formando, assim, o endereço lógico de uma instrução
• Instruções de pilha sempre operam no segmento de pilha corrente• O registrador SS possui a base do segmento, enquanto que o registrador SP possui o offset que leva ao topo da pilha. Entretanto, o endereço lógico de uma instrução envolvendo a pilha usa o registrador BP para apontar a base da pilha.
Implementação de Pilha• Um sistema pode possuir múltiplas pilhas, só uma é diretamente endereçável por vez através dos registradores SS e SP• Uma pilha pode ter até 64kB, sendo que SS determina a base e SP o topo• O ponto de origem da pilha é o topo (não a base)• As pilhas armazenam palavras de 16 bits• Portanto, para armazenar um elemento na pilha, deve-se decrementar SP de 2 (2 bytes), e então escrever a palavra em SP• Ao ler um elemento da pilha, deve-se incrementar SP de 2• A pilha cresce em direção à sua base• Operações de pilha nunca movem ou apagam os elementos armazenados
Implementação de Pilha
Memória Reservada
RESET
Instrução JUMP
Até 256 Interrupções distintas
16 bits de endereçamento de segmento16 bits de endereçamento de offsetTotalizando um apontador de 4 bytes
Endereçamento de Entrada/Saída
Operações de Entrada/Saída podem endereçar um máximo de 64k de registradores de 8 bits (1 byte) ou 32k de registradores de 16 bits (1 word)
O endereçamento de Entrada/Saída apresenta o mesmo formato que o endereçamento de memória no barramento formado por A15-A0, porém com A19-A16 iguais a zero
O registrador DX é usado como apontador de endereço de Entrada/Saída
Interface Externa – Reset de Processador e Inicialização
RESET = HIGH por um período superior a 4 CLK
Todas as operações já em andamento no instante em que o RESET vai para nível alto são terminadas, permanecendo o processador em estado de espera logo após isso e enquanto RESET=HIGH
A transição de RESET para nível baixo aciona uma sequência de resets internos por aproximadamente 10 CLKs
Finalmente, executa-se a instrução no endereço FFFF0H
RESET
Instrução JUMP
Interface Externa – Reset de Processador e Inicialização
Interface Externa – Operações de Interrupção
Existem duas classes de interrupções: de hardware e de softwareInterrupções de software são tratadas posteriormente quando falarmos dos conjuntos de instruçõesInterrupções de hardware são classificadas ainda como Não-Mascaráveis (NMI) ou Mascaráveis (INTR)
Até 256 Interrupções distintas
Interface Externa – Operações de Interrupção
Interface Externa – Interrupção Não-Mascarável (NMI)
Interrupção NMI possui maior prioridade do que uma mascarável (INTR)
Um uso típico de uma interrupção NMI seria para ativação de uma rotina para tratar uma falha de alimentação
Interrupção NMI é ativada durante uma transição LOW-to-HIGH, permanecendo HIGH por pelo menos 2 CLKs
Interface Externa – Interrupção Mascarável (INTR)
Interrupção INTR pode ser mascarada internamente via software, resetando o bit status FLAG
Uma interrupção mascarável é ativada durante uma transição LOW-to-HIGH em INTR
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Conjunto de RegistradoresDe Uso Específico
CS aponta para o Segmento de Código, onde há instruções a serem buscadas SS aponta para o Segmento de Pilha, usado para operações de colocar e/ou retirar dados da pilha DS aponta para o Segmento de Dados, onde normalmente estão armazenadas as variáveis de programa ES aponta para o Segmento Extra, tipicamente usado para armazenamento de dados
SITUAÇÃO DE RESETCS inicializa em FFFFhSS, DS e ES inicializam em 0000h
Programas podem acessar e manipular qualquer registrador de segmento Exemplo: DEBUG do DOS->Comandos d e e
Organização da Memória
O 8086/8088 é um microprocessador little-endian!
Registro de FlagsProcessor Status Word (PSW)
Os flags CF, PF, AF, ZF, SF e OF são alterados pela EU de acordo com resultados de operações lógicas ou aritméticas Os flags TF, IF e DF são usados para alterar operações do processador, podendo ser setados ou resetados O Reset inicializa o PSW como F000h
1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0